CN116165682B - 一种轻便型大气监测激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻便型大气监测激光雷达系统，包括：迷你控制模块，用于接收移动端发出的远程控制信号，调整观测角度并产生激光，并将采集结果传输至移动端进行处理反演，根据处理结果监测大气环境；共体光学模块，与所述迷你控制模块连接，用于扩束迷你控制模块传递的激光，并将接收的大气散射回波信号转换为电信号传输给所述迷你控制模块。本激光雷达系统采用了同轴共体光学系统，达到了系统结构紧凑、体积小、重量轻的目的；能够便捷、有效的实现大气监测，为便携激光雷达系统研制提供了思路，可以为研究大气的相关科研单位或组织提供技术指导和数据支撑。

Description

一种轻便型大气监测激光雷达系统

技术领域

本发明属于大气监测技术领域，特别是涉及一种轻便型大气监测激光雷达系统。

背景技术

激光雷达，作为一种主动遥感探测仪器，具有高精度、高时空分辨率的特点，是探测大气气溶胶、雾霾、沙尘等分布的重要工具，广泛应用于气象研究及大气环境监测等领域。随着激光技术、光电子技术和数据采集及处理等技术的不断发展，激光雷达也以更多的形式不断涌现。最典型的有地基激光雷达系统、车载激光雷达系统和扫描激光雷达系统等。对于地基激光雷达系统而言，体积庞大、结构复杂、搬运困难，只能实现固定地点固定区域的探测而无法实现区域化探测，且对于全区域连续探测实现来说更是很大的难题。车载激光雷达系统和扫描激光雷达系统弥补了这一缺点，能够实现重点区域连续扫描探测，但又由于受雷达系统自身体积、重量等影响，以及受外部探测环境如路况、山体、建筑等影响，能够探测的区域仍然有限；而对于能够实现全区域或任意区域扫描，适合无人机、车载、船载、三脚架(背包式)等多样化搭载方式实现多模式探测的一种轻便型大气监测激光雷达系统还尚未见报道。

发明内容

为了实现多模式探测，本发明提出一种轻便型大气监测激光雷达系统，该雷达系统可以更加便捷的实现各种不同环境观测需求下的大气监测，减少受雷达自身系统体积、重量等因素的限制，拓展了雷达观测方式和运行模式，提高观测效率，提升仪器利用率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种轻便型大气监测激光雷达系统，包括：

迷你控制模块，用于接收移动端发出的远程控制信号，调整观测角度并产生激光，并将采集结果传输至移动端进行处理反演，根据处理结果监测大气环境；

共体光学模块，与所述迷你控制模块连接，用于扩束迷你控制模块传递的激光，并将接收的大气散射回波信号转换为电信号传输给所述迷你控制模块。

优选地，所述共体光学模块包括：偏振分光盒、收发镜筒、扫描电机和收发镜筒固定件；

所述扫描电机通过收发镜筒固定件固定在所述收发镜筒上；

所述偏振分光盒与所述收发镜筒连接。

优选地，所述偏振分光盒的内部包括：光纤输出耦合器、偏振片、二分之一波片、偏振晶体、四分之一波片、滤光片、光阑、光电倍增管、屏蔽同心线缆和敏感-触发器；

所述四分之一波片、偏振晶体、二分之一波片、偏振片和光纤输出耦合器沿收发镜筒进光方向共轴依次连接；

所述滤光片、光阑和光电倍增管沿偏振晶体45度反射轴线依次连接；

所述敏感-触发器安装在偏振晶体垂直光反射轴线上，并与光电倍增管连接。

优选地，所述敏感-触发器集成了电压监测模块、数据电位器模块、光电触发模块和TTL供电模块；

所述电压监测模块用于监测电压；

所述数据电位器模块用于控制敏感电压；

所述光电触发模块用于触发高速数据采集器；

所述TTL供电模块用于为所述电压监测模块、数据电位器模块和光电触发模块供电。

优选地，所述光阑和光纤输出耦合器安装在收发镜筒的焦点位置。

优选地，所述迷你控制模块包括：电源、激光器、光纤输入耦合器、高速数据采集器、迷你工控机、迷你控制箱体、箱体固定件、摆动电机和摆臂；

所述电源、激光器、光纤输入耦合器、高速数据采集器和迷你工控机安装在迷你控制箱体内部；

所述摆动电机通过箱体固定件固定在所述迷你控制箱体上；

所述电源分别与激光器、迷你工控机和高速数据采集器连接；

所述迷你工控机通过USB线缆分别与激光器、高速数据采集器、扫描电机和敏感-触发器连接；

所述激光器通过光纤输入耦合器和光纤与光纤输出耦合器连接；

所述高速数据采集器通过屏蔽同心线缆分别与光电倍增管和敏感-触发器连接；

所述摆臂的一端与扫描电机连接，所述摆臂的另一端与所述摆动电机连接。

优选地，所述迷你工控机内集成有GPS模块、无线通讯模块和温湿度监测模块；

所述GPS模块用于确定激光雷达系统的位置；

所述温湿度监测模块用于测量激光雷达系统工作环境的温湿度；

所述无线通讯模块用于激光雷达系统和远程控制系统之间的通讯。

优选地，所述共体光学系统能够基于摆动电机和摆臂收回到迷你控制系统的迷你控制箱体内。

本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的一种轻便型大气监测激光雷达系统，采用了同轴共体光学系统，达到了系统结构紧凑、体积小、重量轻的目的；能够便捷、有效的实现大气监测，为便携激光雷达系统研制提供了思路，可以为研究大气的相关科研单位或组织提供技术指导和数据支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的激光雷达系统结构示意图；

图中：1-12V锂电池、2-激光器、3-光纤输入耦合器、4-高速数据采集器、5-迷你工控机、6-USB线缆、7-迷你控制箱体、8-箱体固定件、9-摆动电机、10-摆臂、11-光纤、12-偏振分光盒、13-光纤输出耦合器、14-偏振片、15-二分之一波片、16-偏振晶体、17-四分之一波片、18-收发镜筒、19-滤光片、20-光阑、21-光电倍增管、22-屏蔽同心线缆、23-敏感-触发器、24-收发镜筒固定件、25-扫描电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例提供了一种轻便型大气监测激光雷达系统，包括共体光学系统和迷你控制系统两部分。所述共体光学系统由光纤11、偏振分光盒12、光纤输出耦合器13、偏振片14、二分之一波片15、偏振晶体16、四分之一波片17、收发镜筒18、滤光片19、光阑20、光电倍增管21、屏蔽同心线缆22、敏感-触发器23、收发镜筒固定件24和扫描电机25组成；所述迷你控制系统由12V锂电池1、激光器2、光纤输入耦合器3、高速数据采集器4、迷你工控机5、USB线缆6、迷你控制箱体7、箱体固定件8、摆动电机9和摆臂10组成。所述迷你控制系统通过摆臂10和共体光学系统相连，所述共体光学系统能够缩回进迷你控制系统的迷你控制箱体7内。

所述共体光学系统的收发镜筒18和偏振分光盒12、扫描电机25相连，所述扫描电机25和摆臂10相连；所述光纤输出耦合器13、偏振片14、二分之一波片15、偏振晶体16、四分之一波片17、滤光片19、光阑20、光电倍增管21、屏蔽同心线缆22和敏感-触发器23固定安装在偏振分光盒12的内部。

所述偏振分光盒12内部从收发镜筒进光方向共轴依次连接有四分之一波片17、偏振晶体16、二分之一波片15、偏振片14和光纤输出耦合器13，在偏振晶体16的45度反射轴线上依次连接有滤光片19、光阑20和光电倍增管21；敏感-触发器23安装在偏振晶体16垂直光反射的轴线上；所述光阑20和光纤输出耦合器13布置在收发镜筒18的焦点位置。所述敏感-触发器23与光电倍增管21相连。

所述迷你控制系统的12V锂电池1、激光器2、光纤输入耦合器3、高速数据采集器4、迷你工控机5和USB线缆6集成安装在迷你控制箱体7内，所述摆动电机9固定在迷你控制箱体7外部，所述摆动电机9和摆臂10相连。

所述12V锂电池1与激光器2和迷你工控机5相连；所述迷你工控机5通过USB线缆6与激光器2、高速数据采集器4、敏感-触发器23和扫描电机25相连；所述激光器2经过光纤输入耦合器3、光纤11与光纤输出耦合器13相连；所述高速数据采集器4通过屏蔽同心线缆22与光电倍增管21和敏感-触发器23相连。

一种轻便型大气监测激光雷达系统的工作流程如下：

所述迷你控制系统由12V锂电池1给激光器2和迷你工控机5供电，迷你工控机5通过USB线缆6控制驱动激光器2产生的脉冲偏振激光输出耦合至光纤输入耦合器3内，再通过光纤11传输至共体分光系统的偏振分光盒12中的光纤输出耦合器13；共体分光系统的第二光纤耦合器13将获得的激光传输至偏振片14、二分之一波片15，经过二分之一波片15调至水平偏振方向最强后透过偏振晶体16、四分之一波片17由收发镜筒18扩束发射至大气中。

大气颗粒物受激光激发产生米散射信号，收发镜筒18接收这些散射回波信号传输经过四分之一波片17变为圆偏振信号，圆偏振信号由偏振晶体16的45度反射面反射经过滤光片19聚焦至光阑20后，传输至光电倍增管21，完成光电转换。

敏感-触发器23接收偏振晶体16处的杂散激光脉冲信号，通过屏蔽同心线缆22传输至高速数据采集器4的触发口，同步触发高速数据采集器4采集记录由光电倍增管21传输的信号，经过初步处理后通过USB线缆6传输至迷你工控机5，由迷你工控机5进行进一步处理和存储，并将结果通过内部集成的无线通讯模块传输至远程终端进行监测和分析。

在激光雷达系统探测中，远程监测人员可根据需要远程控制迷你工控机5驱动扫描电机25转动共体分光系统切换监测方向，和实现俯仰连续扫描观测。通过驱动摆动电机9实现在恶劣环境或观测结束时，远程收回共体分光系统至迷你控制控制盒7中，对共体分光系统进行可靠保护。

综上可见，本发明与现有技术相比的显著优势概括如下：

1)本发明共体光学系统的收发镜筒18和偏振分光盒12相连，所述偏振分光盒12内部从收发镜筒进光方向共轴依次布置有四分之一波片17、偏振晶体16、二分之一波片15、偏振片14和光纤输出耦合器13，在偏振晶体16的45度反射轴线上依次布置有滤光片19、光阑20和光电倍增管21，所述光阑20和光纤输出耦合器13布置在收发镜筒18的焦点位置，实现发射激光通过偏振片14、二分之一波片15、偏振晶体16、四分之一波片17和收发镜筒18扩束发射，并同时实现回波信号通过收发镜筒18接收后通过四分之一波片17、偏振晶体16、滤光片19、光阑20聚焦至光电倍增管21的位置，达到发射激光和接收回波信号采用同一路光路和镜筒的效果，进而达到减小雷达光学系统体积和重量的目的。

2)本发明共体光学系统的偏振分光盒12内部采用发黑处理，所述光纤输出耦合器13、偏振片14、二分之一波片15、偏振晶体16、四分之一波片17、滤光片19、光阑20、光电倍增管21和敏感-触发器23固定安装在偏振分光盒12的内部，实现可靠保护各镜片和光电探测器的同时，有效避免外部杂散光对内部光路的干扰。

3)本发明敏感-触发器23集成了TTL供电模块、光电触发模块、电压监测模块和数据电位器模块，实现探测激光触发信号；敏感-触发器23与光电倍增管21相连，实现对光电倍增管21进行供电、电压监测和敏感电压控制，达到减小触发器和供电电源重量和体积的目的。

4)本发明迷你控制系统的12V锂电池1选用续航能力强、体积小、重量轻的聚合物锂电池组；激光器2选用12V直流供电，集成度高、重量轻的无电源或小电源脉冲偏振激光器；迷你工控机5选用直流12V供电、体积小、重量轻、适应性强的迷你主机；高速数据采集器4选用USB3.0供电的迷你高速采集卡或示波器等。12V锂电池1、激光器2、光纤输入耦合器3、高速数据采集器4、迷你工控机5和USB线缆集成安装在迷你控制箱体7内，实现缩小迷你控制系统体积和重量的目的；

5)本发明迷你控制系统的12V锂电池1与激光器2和迷你工控机5相连，为激光器2和迷你工控机5提供直流供电电压；迷你工控机5通过USB线缆6与激光器2相连，实现对激光器2的通讯控制；迷你工控机5通过USB线缆6和高速数据采集器4、敏感-触发器23和扫描电机25相连，实现对高速数据采集器4、敏感-触发器23和扫描电机25供电和通讯控制；激光器2经过光纤输入耦合器3、光纤11与光纤输出耦合器13相连，为共体光学系统提供发射激光；高速数据采集器4通过屏蔽同心线缆22与光电倍增管21和敏感-触发器23相连，实现高速数据采集器4的数据采集与发射激光同步，达到高速相应、精确采集的目的。

6)所述迷你工控机5内集成有GPS模块、无线通讯模块和温湿度监测模块，实现实时记录工作环境温湿度和定位数据，通过无线通讯模块实现与远程控制系统的及时的通讯和数据传输，实现远程监测的目的。

7)本发明迷你控制系统通过摆臂10和共体光学系统相连，实现共轴光学系统相对迷你控制系统的俯仰向180度扫描探测。收发镜筒18和扫描电机25相连，扫描电机25和摆臂10相连，扫描电机25为共体光学系统俯仰运动提供动力。摆动电机9固定在控制箱体7外部为摆臂10提供动力，实现在雷达不工作时缩回共体光学系统至迷你控制箱体7内，达到方便携带和对光学系统进行保护的目的。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种轻便型大气监测激光雷达系统，其特征在于，包括：

迷你控制模块，用于接收移动端发出的远程控制信号，调整观测角度并产生激光，并将采集结果传输至移动端进行处理反演，根据处理结果监测大气环境；

共体光学模块，与所述迷你控制模块连接，用于扩束迷你控制模块传递的激光，并将接收的大气散射回波信号转换为电信号传输给所述迷你控制模块；

所述共体光学模块包括：偏振分光盒、收发镜筒、扫描电机和收发镜筒固定件；

所述扫描电机通过收发镜筒固定件固定在所述收发镜筒上；

所述偏振分光盒与所述收发镜筒连接；

所述偏振分光盒的内部包括：光纤输出耦合器、偏振片、二分之一波片、偏振晶体、四分之一波片、滤光片、光阑、光电倍增管、屏蔽同心线缆和敏感-触发器；

所述四分之一波片、偏振晶体、二分之一波片、偏振片和光纤输出耦合器沿收发镜筒进光方向共轴依次连接；

所述滤光片、光阑和光电倍增管沿偏振晶体45度反射轴线依次连接；

所述敏感-触发器安装在偏振晶体垂直光反射轴线上，并与光电倍增管连接；

所述光阑和光纤输出耦合器安装在收发镜筒的焦点位置；

所述迷你控制模块包括：电源、激光器、光纤输入耦合器、高速数据采集器、迷你工控机、迷你控制箱体、箱体固定件、摆动电机和摆臂；

所述电源、激光器、光纤输入耦合器、高速数据采集器和迷你工控机安装在迷你控制箱体内部；

所述摆动电机通过箱体固定件固定在所述迷你控制箱体上；

所述电源分别与激光器、迷你工控机和高速数据采集器连接；

所述迷你工控机通过USB线缆分别与激光器、高速数据采集器、扫描电机和敏感-触发器连接；

所述激光器通过光纤输入耦合器和光纤与光纤输出耦合器连接；

所述高速数据采集器通过屏蔽同心线缆分别与光电倍增管和敏感-触发器连接；

所述摆臂的一端与扫描电机连接，所述摆臂的另一端与所述摆动电机连接；

所述共体光学模块能够基于摆动电机和摆臂收回到迷你控制系统的迷你控制箱体内。

2.根据权利要求1所述的轻便型大气监测激光雷达系统，其特征在于，

所述敏感-触发器集成了电压监测模块、数据电位器模块、光电触发模块和TTL供电模块；

所述电压监测模块用于监测电压；

所述数据电位器模块用于控制敏感电压；

所述光电触发模块用于触发高速数据采集器；

所述TTL供电模块用于为所述电压监测模块、数据电位器模块和光电触发模块供电。

3.根据权利要求1所述的轻便型大气监测激光雷达系统，其特征在于，

所述迷你工控机内集成有GPS模块、无线通讯模块和温湿度监测模块；

所述GPS模块用于确定激光雷达系统的位置；

所述温湿度监测模块用于测量激光雷达系统工作环境的温湿度；

所述无线通讯模块用于激光雷达系统和远程控制系统之间的通讯。